(57)【要約】【課題】Ｃｕ金属間化合物を用いてＣｕ相互接続部における信頼性を改善するための技術を提供する。【解決手段】一態様において、Ｃｕラインの上の誘電体内にＣｕ相互接続部を形成する方法は、Ｃｕラインの上の誘電体内に少なくとも１つのビアを形成するステップと、金属層がビアの底部においてＣｕラインと接触するように、誘電体上に金属層を堆積させ、ビアをライニングするステップであって、金属層はＣｕと反応してＣｕ金属間化合物を形成することができる少なくとも１つの金属を備える、ステップと、ビアの底部においてＣｕ金属間化合物バリアを形成するのに十分な条件下で、金属層およびＣｕラインをアニールするステップと、Ｃｕ相互接続部を形成するようにビア内にＣｕをめっきするステップであって、Ｃｕ相互接続部はＣｕ金属間化合物バリアによってＣｕラインから分離される、ステップとを含む。また、デバイス構造体が提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕラインの上の誘電体内に銅（Ｃｕ）相互接続部を形成する方法であって、
前記Ｃｕラインの上の前記誘電体内に少なくとも１つのビアを形成するステップと、
金属層が前記ビアの底部において前記Ｃｕラインと接触するように、前記誘電体上に前記金属層を堆積させ、前記ビアをライニングするステップであって、前記金属層はＣｕと反応してＣｕ金属間化合物を形成することができる少なくとも１つの金属を備える、前記ステップと、
前記ビアの底部においてＣｕ金属間化合物バリアを形成するのに十分な条件下で、前記金属層および前記Ｃｕラインをアニールするステップと、
前記Ｃｕ相互接続部を形成するように前記ビア内にＣｕをめっきするステップであって、前記Ｃｕ相互接続部は前記Ｃｕ金属間化合物バリアによって前記Ｃｕラインから分離される、前記ステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記金属層は、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、イットリウム、ルテチウム、セリウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、亜鉛、カドミウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、シリコン、ゲルマニウム、錫、リン、砒素、アンチモン、硫黄、セレン、テルル、ランタン、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、およびそれらの組合せからなる群から選択された金属を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記条件は、１５０℃から４００℃までおよびそれらの間の範囲の温度、ならびに１秒から３０分までの持続時間を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記条件は、３００℃から７００℃までおよびそれらの間の範囲の温度、ならびに１ミリ秒から３０ミリ秒までの持続時間を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記条件は、７００℃から１，２００℃までおよびそれらの間の範囲の温度、ならびに１０ナノ秒から１００ナノ秒までの持続時間を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ビアの側壁上にＣｕ金属間化合物ライナを形成するように、前記ビア内にめっきされた前記Ｃｕおよび前記金属層をアニールするステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ビアの前記側壁上に前記Ｃｕ金属間化合物ライナを形成するようにアニールする前記ステップは、窒素雰囲気中で行われる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
Ｃｕシード層を前記ビア内に堆積させ、前記ビアをライニングするステップと、
前記ビアの側壁上にＣｕ金属間化合物ライナを形成するように、前記金属層および前記Ｃｕシード層をアニールするステップと、
前記Ｃｕ金属間化合物ライナの上の前記ビア内に前記Ｃｕをめっきするステップと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
アニールする前記ステップは、窒素雰囲気中で行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記金属層は、溶体内に５ａｔ％超の窒素を含むことができる金属を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記金属層は、ジルコニウム、ハフニウム、チタン、およびそれらの組合せからなる群から選択された金属を備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ビアの底部上に前記Ｃｕ金属間化合物バリアを、および前記Ｃｕ金属間化合物バリア上に窒化物バリアを形成するように、前記金属層および前記Ｃｕラインをアニールするステップ
をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記Ｃｕ相互接続部の上面に金属キャッピング層を堆積させるステップであって、前記金属キャッピング層はＣｕと反応してＣｕ金属間化合物を形成することができる少なくとも１つの金属を備える、前記ステップと、
前記Ｃｕ相互接続部の前記上面にＣｕ金属間化合物キャップを形成するように、前記金属キャッピング層および前記Ｃｕ相互接続部をアニールするステップと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記金属キャッピング層は、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、イットリウム、ルテチウム、セリウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、亜鉛、カドミウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、シリコン、ゲルマニウム、錫、リン、砒素、アンチモン、酸素、硫黄、セレン、テルル、ランタン、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、およびそれらの組合せからなる群から選択された金属を備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記金属キャッピング層は、ジルコニウム、ハフニウム、チタン、およびそれらの組合せからなる群から選択された金属を備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記Ｃｕ相互接続部の前記上面にＣｕ金属間化合物キャップを、および前記Ｃｕ金属間化合物キャップ上に窒化物キャップを形成するように、前記金属キャッピング層および前記Ｃｕ相互接続部をアニールするステップ
をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
デバイス構造体であって、
Ｃｕラインと、
前記Ｃｕライン上の誘電体と、
前記Ｃｕラインの上の前記誘電体内のビア内に形成されたＣｕ相互接続部と、
前記Ｃｕ相互接続部を前記Ｃｕラインから分離するＣｕ金属間化合物バリアと
を備えるデバイス構造体。
【請求項１８】
前記Ｃｕ金属間化合物バリア上に金属窒化物バリアをさらに備える、請求項１７に記載のデバイス構造体。
【請求項１９】
前記ビアの側壁上にＣｕ金属間化合物ライナをさらに備える、請求項１７に記載のデバイス構造体。
【請求項２０】
前記Ｃｕ相互接続部の上面にＣｕ金属間化合物キャップをさらに備える、請求項１７に記載のデバイス構造体。
【請求項２１】
請求項１ないし１６のいずれかに記載の方法によってＣｕラインの上の誘電体内に形成された銅（Ｃｕ）相互接続部。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は銅（Ｃｕ）相互接続部における信頼性を改善するための技術に関し、より詳細にはＣｕ金属間化合物を用いてＣｕ相互接続部のためのライナ、エレクトロマイグレーション（ＥＭ）バリア、およびキャップを形成することに関する。
【背景技術】
【０００２】
銅（Ｃｕ）ラインの抵抗は、バック・エンド・オブ・ライン（ＢＥＯＬ）におけるスケーリングが進み続けるのに従って増加する。抵抗はまず単に、ラインがより小さな断面積を有するようになるので増加する。また全体の抵抗に寄与するのは、ラインにおける金属表面がより近くなり、より狭いラインにおける金属内のグレインがより小さくなるのに従って、グレイン境界、および表面／界面からの散乱の増加が、比抵抗におけるさらなる増加に寄与し、したがってスケーリングされたＣｕライン技術における界面およびグレイン境界散乱を制御することの重要性が明らかになる。
【０００３】
同時に、スケーリングが進み続けるのに従って他の問題が生じる。１つの問題は拡散バリア完全性である。すなわちライナ厚さが縮小されるのに従って性能は不十分となり、金属が誘電体内に拡散し得るようになる。ライナ厚さは維持される必要があるので、非常に狭いライン内のＣｕの体積は制限される。他の問題はエレクトロマイグレーションまたはＥＭ抵抗である。すなわちライン面積が縮小されるのに従って、電流密度が増加する。結果としてＣｕ原子マイグレーションは、最も小さなラインにおける破断に繋がり得る。したがって良好なＥＭ界面を画定することが重要である。良好な境界付けられた界面はまた、界面散乱に役立つ可能性が高くなる。またラインの上面におけるＥＭを防止するためのキャップの必要性がある。Ｃｕライン・スケーリングと共に生じる他の問題は、ビアの底部における接着である。チップ処理時のクラック進行を防止するために、良好な接着が必要である。ビアの底部におけるライナ厚さの縮小は、レベル間の接着に役立たない。
【０００４】
提案される解決策は、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、またはルテニウム（Ｒｕ）あるいはその組合せなどの材料を含んだ、自己形成埋め込み拡散バリアの使用を含んでいる。例えばCabral Jr.らに発行された"Self-Forming Embedded Diffusion Barriers"という名称の米国特許第９，１９０，３２１号を参照されたい。また、McFeelyらによる"Multi-Step Method to Selectively Deposit Ruthenium Layers of Arbitrary Thickness on Copper"という名称の米国特許出願第２０１１／００４５１７１号、およびGambinoらに発行された"Conductor Structure including Manganese Oxide Capping Layer"という名称の米国特許第７，８８４，４７５号を参照されたい。これらの解決策のすべては、Ｃｕ内で十分に溶解できる元素（例えばＭｎ）または可能な相形成がない非常に低い溶解性を有する元素（例えばＣｏ、Ｒｕなど）が関わる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第９，１９０，３２１号
【特許文献２】米国特許出願第２０１１／００４５１７１号
【特許文献３】米国特許第７，８８４，４７５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがってＣｕ相互接続部のための改善されたバリア、ライナ、およびキャップが、特にスケーリングされた応用に対して必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明はＣｕ金属間化合物を用いて銅（Ｃｕ）相互接続部のためのライナ、エレクトロマイグレーション（ＥＭ）バリア、およびキャップを形成する、Ｃｕ相互接続部における信頼性を改善するための技術を提供する。本発明の一態様において、Ｃｕラインの上の誘電体内にＣｕ相互接続部を形成する方法が提供される。方法は、Ｃｕラインの上の誘電体内に少なくとも１つのビアを形成するステップと、金属層がビアの底部においてＣｕラインと接触するように、誘電体上に金属層を堆積させ、ビアをライニングするステップであって、金属層はＣｕと反応してＣｕ金属間化合物を形成することができる少なくとも１つの金属を含む、ステップと、ビアの底部においてＣｕ金属間化合物バリアを形成するのに十分な条件下で、金属層およびＣｕラインをアニールするステップと、Ｃｕ相互接続部を形成するようにビア内にＣｕをめっきするステップであって、Ｃｕ相互接続部はＣｕ金属間化合物バリアによってＣｕラインから分離される、ステップとを含む。
【０００８】
本発明の他の態様において、Ｃｕラインの上の誘電体内にＣｕ相互接続部を形成する他の方法が提供される。方法は、Ｃｕラインの上の誘電体内に少なくとも１つのビアを形成するステップと、金属層がビアの底部においてＣｕラインと接触するように、誘電体上に金属層を堆積させ、ビアをライニングするステップであって、金属層はＣｕと反応してＣｕ金属間化合物を形成することができる少なくとも１つの金属を含む、ステップと、Ｃｕ相互接続部を形成するようにビア内にＣｕをめっきするステップと、ｉ）ビアの底部においてＣｕ金属間化合物バリアを、およびｉｉ）ビアの側壁上にＣｕ金属間化合物ライナを形成するのに十分な条件下で、金属層、Ｃｕ相互接続部、およびＣｕラインをアニールするステップあって、Ｃｕ相互接続部はＣｕ金属間化合物バリアによってＣｕラインから分離される、ステップとを含む。
【０００９】
本発明の他の態様において、デバイス構造体が提供される。デバイス構造体は、Ｃｕラインと、Ｃｕライン上の誘電体と、Ｃｕラインの上の誘電体内のビア内に形成されたＣｕ相互接続部と、Ｃｕ相互接続部をＣｕラインから分離するＣｕ金属間化合物バリアとを含む。
【００１０】
本発明のより十分な理解、および本発明の他の特徴および利点は、以下の詳しい説明および図面を参照することによって得られるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態による、銅（Ｃｕ）金属間化合物を用いて接着層、ライナ、またはエレクトロマイグレーション（ＥＭ）バリアあるいはその組合せを形成するための例示的方法を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態による、Ｃｕ金属間化合物／バリア窒化物二重層を形成する例示的方法を示す概略図である。
【図３】本発明の実施形態による、Ｃｕ金属間化合物キャッピング層を形成する例示的方法を示す概略図である。
【図４】本発明の実施形態による、Ｃｕ金属間化合物／バリア窒化物二重層キャッピング層を形成する例示的方法の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本明細書では銅（Ｃｕ）金属間化合物を用いて、Ｃｕ相互接続部のための接着層、ライナ、エレクトロマイグレーション（ＥＭ）バリア、およびキャップを形成するための技術が示される。本明細書で用いられる「金属間化合物」という用語は、一般に２つ以上の金属元素、および任意選択で１つまたは複数の非金属元素を含んだ合金を指す。
【００１３】
本明細書においていくつかの異なる実施形態が示される。第１の例示的実施形態において接着層、ライナ、ＥＭバリア、およびキャップの１つまたは複数を形成するための金属間化合物を形成する元素が用いられる。有利なことに金属間化合物の形成は非常に良好な接着を有する界面をもたらし、界面におけるＣｕ  ＥＭを制限しＥＭボイドが生じる場合の代替を可能にし、またレベル間の接着を増加させＥＭおよびクラックの進行の両方を防止するビアの底部におけるＥＭ阻止層をもたらし、ならびにＣｕ拡散を防止するのに役立つ。
【００１４】
第２の例示的実施形態において金属間化合物相は、ＣｕまたはＣｕ合金の二重層（シードまたはシードおよびめっき）と、溶体（solution）内に窒素（Ｎ）の重要画分（important fraction）を含んだ金属の薄い層とから形成される。上記で示された特性を有する金属間化合物が生じるのに従って、溶体金属−窒素は窒素において、それが金属間化合物と誘電体との間にバリア窒化物を形成するまで濃縮される。溶体金属−窒素のこの概念をさらに示すために、ジルコニウム（Ｚｒ）、およびＺｒの金属窒化物を考察することができる。ジルコニウム窒化物（ＺｒＮ）の組成において、窒素（Ｎ）は約４０原子百分率（ａｔ％）から約５０ａｔ％まで変えることができる。しかしＺｒ自体は、それが金属窒化物を形成する前に、金属内の溶体中にかなりの量の窒素を含むことができる。例えば摂氏５００度（℃）においてアルファＺｒは、金属相における構造的変化なしに２０％までの窒素を取り込むことができる。したがってＺｒおよび２０％の窒素を有する金属−窒素溶体は未だ金属窒化物ではないが、溶体中に窒素を有する金属である。したがってＺｒ−Ｎに対する重要画分は、約２０％である。重要画分は金属ごとに変わる。例のみとして高い窒素溶解性（例えば５ａｔ％超）を有する元素は、Ｚｒ、チタン（Ｔｉ）、およびハフニウム（Ｈｆ）を含むがそれらに限定されない。この溶解性は、金属が一緒に合金にされたとき変化するようになり、およびまた温度と共に増加する。
【００１５】
このシナリオにおいてバリア窒化物から、誘電体または底部Ｃｕの両方への接着は良好である。プロセスはウェット・エッチング、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）、または化学機械研磨（ＣＭＰ）の使用による自己整合型である（例えばビアの底部におけるＥＭバリアまたはラインの上のキャップに対するウェット・エッチングまたはＲＩＥ、ならびに側壁およびビア底部に対するＣＭＰ）。
【００１６】
第３の例示的実施形態において金属または金属−窒化物層は、デュアル・ダマシン・トレンチ内に最初に堆積される。次いでサンプルはＥＭバリア形成のために、ビアの底部において金属間化合物を形成するようにアニールされる。次いでＣｕシード／めっきとの反応の前に、バリア層内において窒素含有量を増加（または導入）するように第２のアニールが行われる。
【００１７】
次にこれらの例示的実施形態のそれぞれが、以下の図を参照して詳しく述べられる。例えば図１は、金属間化合物を用いて（第１の例示的実施形態により）接着層、ライナ、およびＥＭバリアの１つまたは複数を形成するための例示的方法１００を示す（キャップ形成は以下で述べられる）。
【００１８】
プロセスはステップ１０２で、金属（例えばＣｕ）ライン１１２、金属ライン１１２上の誘電体１１４、および誘電体１１４内に下方の金属ライン１１２まで形成されたビア１１６がある状態で開始する。ステップ１０２に示される構造は、バック・エンド・オブ・ライン（ＢＥＯＬ）金属被覆プロセスにおける標準の上部金属層を表す。ビア１１６は例えば標準のダマシン・プロセスを用いて形成され得る。図における単一の金属ライン１１２または単一のビア１１６あるいはその両方の描写は、単に本技術を説明するためのものである。本明細書で述べられるプロセスは同じやり方で、複数の金属ライン／ビアを処理するために適用され得る。
【００１９】
ステップ１０４で金属層１１８が誘電体層上に堆積され、ビア１１６をライニングする。ビア１１６の底部において金属層１１８は、金属ライン１１２と接触する。金属層１１８は、Ｃｕと反応することができる金属を含む（すなわち金属間化合物／合金を形成するように）。任意選択で層１１８内の金属は、部分的に窒化されることができる（すなわち第２の例示的実施形態によるように）。部分的窒化物層（金属間化合物を形成するための）を含む例示的プロセス・フローは以下で示される。上記で明らかにされたように金属層１１８は、Ｃｕと反応してＣｕとの金属間化合物または合金を形成することができる任意の金属を含むことができる。適切な金属はマグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ルテチウム（Ｌｕ）、セリウム（Ｃｅ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、錫（Ｓｎ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、ランタン（Ｌａ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、またはイッテルビウム（Ｙｂ）あるいはその組合せを含む。これらの元素のすべてはＣｕと金属間化合物を形成するようになり、本技術により用いられ得る。
【００２０】
しかし金属間化合物を形成するために特定の金属を選択するとき、いくつかのさらなる要因を考慮に入れることが有益となり得る。例えば溶解性は１つの考慮すべき事項である。目標はラインの中間におけるＣｕをできるだけ導電性とすることであるので、溶解性は重要な要因である。元素がＣｕ内に移動するとき、その比抵抗を上昇させる。したがってＣｕ内でのいずれの関心がもたれる元素の溶解性も考察することが重要である。溶解性が高い場合、金属間化合物の形成は、Ｃｕ内のその元素の濃度を溶解性限界まで上昇させるようになる。例としてＣｕ−Ｓｃと比較してＣｕ−Ｚｎを用いるため、Ｃｕ内のＺｎの溶解性は、Ｃｕ内のＳｃの溶解性より著しく高くする（例えばＣｕ内に３０％より多くのＺｎを入れることができるが、Ｃｕ内にＳｃを入れることはほとんどできない）。金属間化合物が形成されるとき元素は、ラインの中間における純粋なＣｕと平衡状態にある。例えば溶解性に関して、約０．５％未満の溶解性を有する、層１１８のための金属を選ぶことができる。上記の金属のうちこの溶解性要件を満たすものは、希土類元素（すなわちＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕ）、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｌｕ、Ｚｒ、またはＨｆあるいはその組合せを含むが、それらに限定されない。またより低い比抵抗を考慮に入れることができ、５０×１０−８Ω−ｍより低い比抵抗を有する元素を選ぶことができる。例えば溶解性要件を満たす元素のリストからのＺｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｙｂなどの元素は、抵抗要件も満たし、したがって好ましくなり得る。
【００２１】
次にステップ１０６で金属ライン１１２の上のビア１１６の底部にＣｕ金属間化合物バリア層１２０を形成するのに十分な条件下で、アニールが行われる。アニールは様々な条件下（すなわち温度および持続時間）で、多様な種々のアニーリング・ツールを用いて行われることができる。例のみとして標準のアニーリング・ツール（急速熱アニーリング（ＲＴＡ）または熱処理炉）を用いる。その場合約１５０℃から約４００℃までおよびそれらの間の範囲の温度、ならびに約１秒から約３０分までおよびそれらの間の範囲の持続時間が使用され得る。代わりにミリ秒アニーリング・ツール（フラッシュまたはレーザ・アニールなど）を用いることもできる。その場合約３００℃から約７００℃までおよびそれらの間の範囲の温度、ならびに約１ミリ秒から約３０ミリ秒までおよびそれらの間の範囲の持続時間が使用され得る。さらにまたナノ秒アニーリング・ツール（エキシマ・レーザ・ツールなど）を用いることもできる。その場合約７００℃から約１，２００℃までおよびそれらの間の範囲の温度、ならびに約１０ナノ秒から約１００ナノ秒までおよびそれらの間の範囲の持続時間が使用され得る。アニールは、金属ライン１１２からのＣｕを層１１８内の金属と反応させて、Ｃｕ金属間化合物バリア層１２０を形成する。ステップ１０６に示されるようにＣｕ金属間化合物バリアは、金属層１１８がＣｕと接触する領域すなわちビア１１６の底部における領域においてのみ生じることになる。目標がもっぱらビア１１６の底部において金属間化合物バリアを作り出すことである場合、次に任意選択で金属層１１８の未反応の部分（すなわち誘電体１１４と接触する部分）は除去されることができ（図示せず）、プロセスは以下で述べられるようにビアをＣｕで満たすように続けられることが注目される。さらにアニールは（任意選択で）窒素雰囲気中で行われることができ、これは例えば第２の例示的実施形態に従って、Ｃｕ金属間化合物バリア層１２０の窒化に繋がるようになる。この窒化プロセスは以下でさらに詳しく述べられる。
【００２２】
エレクトロマイグレーションは、伝導電子と拡散する金属原子との間の運動量移動による導体内のイオンの移動によって引き起こされる、材料（例えばＣｕ）の輸送である。上記で示されたように相互接続部スケーリングは電流密度の増加、したがってＥＭの増加に繋がる。増加したＥＭにより、小さなＣｕラインは破断し得る。ＥＭバリアは、Ｃｕがラインの外に移動するのを防止するために用いられることができる。この例においてビア１１６の底部におけるＣｕ金属間化合物１２０は、効果的なＥＭバリアとして働く。
【００２３】
金属層１１８の残りの部分は、そのまま残された場合、次いでビア１１６の側壁に沿って拡散およびＥＭライナを形成するために用いられることができる。そうするためにビア１１６にＣｕがめっきされ、次いで金属層１１８およびめっきされたＣｕによってＣｕ金属間化合物バリアを形成するように第２のアニールが行われる。もちろん第１のアニーリング・ステップの後に残りの金属層１１８が除去された場合、Ｃｕ金属間化合物バリアはビア１１６の側壁上に形成されないことになる。当技術分野で知られているようにＣｕめっきは、最初に薄いＣｕシード層が堆積される必要がある（例えばスパッタリングを用いて）。このＣｕシード層はＣｕ、またはマンガン（Ｍｎ）などの元素とのＣｕ合金から形成されることができる。
【００２４】
すなわちステップ１０８でＣｕ１２２が、ビア１１６内に、および誘電体１１４の上の金属層１１８上にめっきされる。Ｃｕをビア内にめっきするために、ビア１１６をライニングする金属層１１８上にＣｕシード層が最初に堆積される。Ｃｕシード層は、物理気相成長法（ＰＶＤ）または化学気相成長法（ＣＶＤ）などのプロセスを用いて堆積されることができる。ステップ１０８で別個に示されないが、Ｃｕシード層はめっきされたＣｕ１２２と同じまたは異なる組成を有することができることが注目される。例えばＣｕシード層は、純粋なＣｕまたはＣｕ合金（銅−マンガン合金など）とすることができる。次いでＣｕ１２２はＣｕシード層にめっきされて、相互接続部構造（すなわち金属ライン１１２を１つまたは複数の他の配線層に接続する）を形成する。次にステップ１１０で、ビア１１６の側壁に沿ってＣｕ金属間化合物ライナ１２０ａを形成するのに十分な条件下で、アニールが行われる。適切なアニール条件（例えば温度および持続時間）は上記で示され、上述されたように使用されるアニーリング・ツールに応じて変えることができる。アニールは、Ｃｕ１２２を層１１８内の金属と反応させて、Ｃｕ金属間化合物ライナ１２０ａを形成する。このときＣｕ金属間化合物バリア層１２０およびライナ１２０ａによって、Ｃｕ１２２（相互接続部構造）を誘電体１１４から分離するバリアが十分に形成される。
【００２５】
すぐ上で示された例示的プロセス・フローにおいて、シード層が堆積された後にＣｕめっきが続き、次いでＣｕ金属間化合物バリア層を形成するためのアニールが続く。またこのプロセスの変形が実施されることができる。例えば図１に示されるようにシード層を最初に堆積させ、次いでＣｕ金属間化合物バリア層１２０ａを形成するためのアニールを行うことができ、ビア１１６内にＣｕ１２２をめっきすることが続く。具体的にはステップ１０８ａでＣｕシード層（純粋なＣｕまたはＣｕ合金、上記を参照）１２４が金属層１１８上に最初に堆積され、ビア１１６をライニングする。ステップ１０９ａでＣｕ金属間化合物バリア層１２０ａを形成するために、Ｃｕシード層を金属層１１８と反応させるようにアニールが行われる。アニールのための適切な条件は上記で示された。次いでステップ１１０ａで、Ｃｕ１２２がビア１１６内にめっきされて相互接続部構造を形成する。
【００２６】
上記で明らかにされたように第２の例示的実施形態において、このＣｕ金属間化合物の窒化物バージョンが用いられる。次にこの実施形態が、図２の方法２００を参照して述べられる。ステップ２０２でプロセスは、金属（例えばＣｕ）ライン１１２、金属ライン１１２上の誘電体１１４、および誘電体１１４内に下方の金属ライン１１２まで形成されたビア１１６がある状態で、図１と同じやり方で開始する。
【００２７】
次にステップ２０４で金属層２１２が誘電体層上に堆積され、ビア１１６をライニングする。ビア１１６の底部において金属層２１２は、金属ライン１１２と接触する。金属層２１２は、Ｃｕと反応することができる上述の金属からの金属であり（すなわち金属間化合物／合金を形成するように）、金属内の溶体内に少なくとも数原子％のＮを含むことができる。したがって上記で示された例において金属がハフニウムであれば、この場合ハフニウム−窒素溶体が用いられるようになる。適切なＮとの金属間化合物金属の上記のリストの二元系状態図から、これらの金属のいくつかのみが溶体内にＮを含むことができる。溶体内に大量の窒素（Ｎ）（＞１０ａｔ％）を受け入れるための好都合な金属は、Ｔｉ、Ｚｒ、およびＨｆとして特定されることができる。上記のリスト内の他の金属の大部分は、金属内の溶体内に顕著な量のＮを取り込まないことが注目される。現在は多くの金属−Ｎ二元系材料（binary phase material）は利用可能ではないので、Ｃｕとの反応元素にリスト上の金属のいくつかが、上記ａｔ％範囲内で溶体内に窒素を取り込むことができる金属のリストに加わることが可能である。
【００２８】
また、このリストからの好ましい候補は、溶解性および抵抗などの追加の基準に基づいて選択され得る。以下で詳しく述べられるようにこれらの金属−窒素溶体の使用は、金属間化合物を形成するのに十分な温度まで系がアニールされた後に、Ｃｕ相互接続部と誘電体との間にバリア窒化物（金属間化合物との二重層の一部として）を形成するという追加の恩恵を有する。
【００２９】
次にステップ２０６で、金属ライン１１２の上のビア１１６の底部においてＣｕ金属間化合物バリア層２１４を形成するのに十分な条件下で、アニールが行われる。アニールは金属ライン１１２からのＣｕを、層２１２内の金属を含んだ窒素と反応させて、Ｃｕ金属間化合物バリア層２１４を形成するようになる。ステップ２０６に示されるようにＣｕ金属間化合物バリアは、金属層２１２がＣｕと接触する領域、すなわちビア１１６の底部においてのみ生じることになる。またステップ２０６に示されるように金属−Ｃｕ反応（すなわちビア１１６の底部における）は、金属層２１２のその部分での窒化物濃度を増加させるようになる。すなわち上記で示されたように、窒素Ｎは溶体内にある。したがって金属がＣｕと反応するとき、金属間化合物がＣｕとの界面において形成され、窒素は窒化物バリア化合物が生じるまで、金属側においてより濃縮される。金属層内の窒素の濃度は溶解性限界未満のいずれかとなることができ、反応後にＮ濃度は、その特定の金属の窒化物内の濃度を表すことになる。金属層２１２内の窒素濃度は、Ｃｕ金属間化合物を形成するために金属のいくらかを消費するので、金属内の溶解性限界未満から、同じ金属の窒化物のそれに及ぶ。
【００３０】
結果として、ビア１１６の底部において金属間化合物バリア層のみを形成（上記の第１の例示的実施形態でのように）する代わりに、ここでは二重層構造が形成される。図２に示されるように金属ライン１１２に隣接した二重層構造の１つの層は、Ｃｕ金属間化合物バリア層２１４である。Ｃｕ金属間化合物バリア層２１４に隣接した二重層構造のもう１つの層は、濃縮された窒素を有する金属層２１２の一部分である。濃縮された窒素を有する金属層２１２のこの部分は、相互接続部構造と誘電体１１４との間にバリア窒化物２１６を形成する。
【００３１】
アニールを行うための上記で示されたものと同じ処理条件（例えば温度、持続時間など）が、ここでも適用されることができる（これは上記で示されたように、組み込まれるアニーリング・ツールに応じて変えることができる）。上記で示されたように第１の例示的プロセス・フローにおけるアニール時に窒素雰囲気が用いられる場合、結果はこの二重層（金属間化合物窒化物バリア層）構成の形成となることが注目される。したがって二重層構造を形成するために、窒素−金属溶体を用いて開始する、または窒素雰囲気中で金属層／Ｃｕのアニールを実施することができる。上記で示されたようにＣｕ金属間化合物層２１４は、ＥＭおよび拡散バリアとして働く。この実施形態において追加された窒化物バリアは、Ｃｕ拡散に対する追加のバリアをもたらす。
【００３２】
次いで金属層２１２の残りの部分は、ビア１１６の側壁に沿って二重層ライナ（例えばＣｕ金属間化合物層２１４ａおよびバリア窒化物２１６ａ）を形成するために用いられることができる。そうするためにビア１１６にＣｕがめっきされ、次いで上述と同じやり方で、金属層２１２およびめっきされたＣｕによってＣｕ金属間化合物／窒化物二重層ライナを形成するように第２のアニールが行われる。
【００３３】
すなわちステップ２０８でＣｕ２１８が、ビア１１６内に、および誘電体１１４の上の（金属−窒素溶体）金属層２１２上にめっきされる。Ｃｕをビア内にめっきするために、ビア１１６をライニングする金属層２１２上にＣｕシード層が最初に堆積される（例えばＰＶＤ、ＣＶＤなどを用いて）。ステップ２０８で別個に示されないが、Ｃｕシード層はめっきされたＣｕ２１８と同じまたは異なる組成を有することができることが注目される。例えばＣｕシード層は、純粋なＣｕまたはＣｕ合金（銅−マンガン合金など）とすることができる。次いでＣｕ２１８がＣｕシード層にめっきされて、相互接続部構造（すなわち金属ライン１１２を１つまたは複数の他の配線層に接続する）を形成する。次にステップ２１０で、ビア１１６の側壁に沿って、Ｃｕ金属間化合物バリア層２１４ａとバリア窒化物２１６ａとを含んだ二重層を形成するのに十分な条件下で、アニールが行われる。例示的実施形態によれば、同じアニール条件、例えば温度、持続時間など（上記のような）が用いられる（これは上記で示されたように組み込まれるアニーリング・ツールに応じて変えることができる）。アニールは、Ｃｕ２１８を層２１２内の金属−窒素溶体と反応させて、Ｃｕ金属間化合物バリア層２１４ａを形成し、一方、金属−窒素溶体は、Ｃｕ金属間化合物バリア層２１４／２１４ａを誘電体１１４から分離する金属層２１２の一部分において濃縮される。
【００３４】
他の変形として、材料のすべて（すなわち金属層２１２、Ｃｕシード層／めっきされたＣｕ２１８など）をビア１１６内に満たし、次いでビア１１６の底部においてＣｕ金属間化合物バリア層２１４／バリア窒化物２１６を、およびビア１１６の側壁に沿ってＣｕ金属間化合物バリア層２１４ａ／バリア窒化物２１６ａを形成するようにアニールを行うことが可能である。代替のステップ２０６ａおよび２０８ａを参照されたい。Ｃｕめっきの前および後ではなく、最後に単一のアニールが行われることを除いて、上述のものと同じプロセスが行われる。すなわちステップ２０６ａに示されるように金属層２１２は、誘電体層上に最初に堆積され、ビア１１６をライニングする。次いでビア１１６は、Ｃｕシード層（図示せず）／めっきされたＣｕ２１８で満たされる。ステップ２０８ａに示されるように、次いで上述と同じやり方で、ビア１１６の底部においてＣｕ金属間化合物バリア層２１４／バリア窒化物２１６を、およびビア１１６の側壁に沿ってＣｕ金属間化合物バリア層２１４ａ／バリア窒化物２１６ａを形成するようにアニールが行われる。
【００３５】
上記で示されたようにＣｕ金属間化合物バリア層を形成するための反応アニールは、代わりにＣｕシード層の堆積の後に、しかしＣｕ２１８がビア１１６内にめっきされる前に行われることができることが注目される。これらのステップの特定のシーケンスは図１に示される。ここでの唯一の違いは、金属層が金属窒化物を含み、結果として二重層Ｃｕ金属間化合物およびバリア窒化物が形成されるようになることである。
【００３６】
上記で明らかにされたように第３の例示的実施形態において、金属または金属窒化物バリア層内において窒素濃度を導入し、または増加させるために、アニールリング・ステップ時に窒化が用いられることができる（例えば窒化物雰囲気によって）。例えば図２に示されるシナリオにおいて、バリア窒化物２１６／２１６ａ内の窒素濃度を増加させるために、窒素雰囲気中のアニールが用いられることができる。これと対照的に図１に示される例において、窒素雰囲気中のアニールは、金属層１１８内に窒素を導入するように働くことができ、それによって二重層Ｃｕ金属間化合物／バリア窒化物を形成する。
【００３７】
上記の説明が明らかにするように、本明細書では多様な異なるプロセス・フローが予想される。要約すると、（１）金属または金属−窒素堆積／アニール（Ｎ２内または非Ｎ２内）／Ｃｕシードおよびめっき、（２）金属または金属−窒素堆積／Ｃｕシード／アニール（Ｎ２内または非Ｎ２内）／Ｃｕめっき、および（３）金属または金属−窒素堆積／Ｃｕシードおよびめっき／アニール（Ｎ２内または非Ｎ２内）のシナリオが上記で示された。
【００３８】
上述のプロセスはまた、Ｃｕ相互接続部構造上にＣｕ金属間化合物キャップを形成するために用いられることができる。以下で述べられる図３を参照されたい。さらに金属窒化物が用いられるとき、二重層Ｃｕ金属間化合物／バリア窒化物キャップが形成される。以下で述べられる図４を参照されたい。これらのキャッピング・プロセスは、本Ｃｕ相互接続部構造のためにバリア、ライナ、およびキャップを形成するために上述されたプロセス・フローと共に使用されることができる。
【００３９】
図３の方法３００を参照すると、プロセスはステップ３０２で、Ｃｕ相互接続部３１２が誘電体３１４内に形成された状態で開始する。このＣｕ相互接続部は、ラインの側壁および底部に、薄いライナおよび接着層（全体で層３１０として表される）を含むことが好ましい。ステップ３０４で金属キャッピング層３１６が誘電体層上に堆積され、Ｃｕ相互接続部３１２の上部を覆う（およびそれと接触する）。金属キャッピング層３１６は、Ｃｕと反応（すなわち金属間化合物／合金を形成するように）することができる金属を含む。適切な金属は上記で示された。また、このリストからの好ましい候補は、溶解性および抵抗などの追加の基準に基づいて選択され得る。
【００４０】
次にステップ３０６で、Ｃｕ相互接続部３１２の上にＣｕ金属間化合物キャッピング層３１８を形成するのに十分な条件下で、アニールが行われる。アニールは、Ｃｕ相互接続部３１２からのＣｕを層３１６内の金属と反応させて、Ｃｕ金属間化合物キャッピング層３１８を形成するようになる。ステップ３０６に示されるようにＣｕ金属間化合物キャッピング層は、金属キャッピング層３１６がＣｕ相互接続部３１２と接触する領域においてのみ生じることになる。アニールを行うための上記で示されたものと同じ処理条件（温度、持続時間など）が、ここでも適用されることができる（これは上記で示されたように組み込まれるアニーリング・ツールに応じて変えることができる）。
【００４１】
ステップ３０８で、金属キャッピング層３１６の未反応の部分が除去される。例示的実施形態によれば、金属層３１６の未反応の部分は、ウェット・エッチングまたは反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）を用いて除去される。反応フロント（Ｃｕ金属間化合物の）は、Ｃｕ内に移動することが注目される。したがって図３に示されるようにＣｕ金属間化合物キャッピング層は、少なくとも部分的に誘電体３１４より低くなる。したがって他の例示的実施形態によれば、Ｃｕ金属間化合物キャッピング層を誘電体３１４の表面まで下方へ研磨するために化学機械研磨（ＣＭＰ）が用いられ、このようにして過剰な金属を効果的に除去する。
【００４２】
本プロセスはまた同じ全体的なやり方で、金属−窒素溶体の堆積と共に、二重層Ｃｕ金属間化合物／バリア窒化物構成を用いて、キャッピング層を形成するために用いられることができる。図４の方法４００を参照されたい。図４を参照すると、プロセスはステップ４０２で、誘電体３１４内にＣｕ相互接続部３１２が形成された状態で、同じやり方で開始する。ステップ４０４で金属窒化物キャッピング層４１６は、誘電体３１４上に堆積され、Ｃｕ相互接続部３１２の上部を覆う（およびそれと接触する）。金属窒化物キャッピング層４１６は、Ｃｕと反応（すなわち金属間化合物／合金を形成するように）することができる金属を含む。適切な金属−窒素溶体は上記で示された。また、このリストからの好ましい候補は、溶解性および抵抗などの追加の基準に基づいて選択され得る。
【００４３】
次にステップ４０６で、Ｃｕ相互接続部３１２の上に二重層Ｃｕ金属間化合物キャッピング層４１８／窒化物キャッピング層４２０を形成するのに十分な条件下で、アニールが行われる。アニールを行うための上記で示されたものと同じ処理条件（例えば温度、持続時間など）が、ここでも適用されることができる。
【００４４】
ステップ４０８で、金属キャッピング層４１６の未反応の部分が除去される。例示的実施形態によれば、金属層４１６の未反応の部分は、ウェット・エッチングもしくはＲＩＥ、または化学機械研磨（ＣＭＰ）などの研磨プロセスを用いて除去される。
【００４５】
本明細書では本発明の例示的実施形態が述べられたが、本発明はそれらの正確な実施形態に限定されず、当業者によって本発明の範囲から逸脱せずに様々な他の変形および変更がなされ得ることを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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